數(shù)字化工廠下的車間布局與生產(chǎn)線仿真分析

常依

荊州廣杭電子商務(wù)科技有限公司 湖北 荊州 434000

引言

數(shù)字化工廠下的車間布局與生產(chǎn)線仿真可以幫助制造業(yè)企業(yè)更好地適應(yīng)市場變化和客戶需求，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)線的目標(biāo)[1]。其對于提高生產(chǎn)效率、降低成本、優(yōu)化資源配置等有著積極的推動作用。本次仿真實(shí)驗(yàn)以某衛(wèi)浴生產(chǎn)車間為例，該車間整體生產(chǎn)效率低下，物流運(yùn)輸存在著十字交叉、回流等問題，通過仿真分析，對車間布局以及生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化整改，以提高生產(chǎn)效率。

1 數(shù)字化衛(wèi)浴車間基本情況

本次車間布局與生產(chǎn)線仿真分析以某衛(wèi)浴生產(chǎn)車間為例，當(dāng)前車間于2010年建成并投入使用，車間長147m，寬50m，占地面積7350m2，目前生產(chǎn)車間內(nèi)存在著地面下沉的問題[2]。

2 車間布局問題分析

首先，從整體空間布局上來看，該車間在布局設(shè)計(jì)的過程中，并沒有遵循就近原則，而是采用機(jī)群式布局，整體較為混亂。如爐粉、銅粉放置區(qū)與生產(chǎn)區(qū)域相隔較遠(yuǎn)，通過實(shí)地勘測后得知，從爐粉、銅粉放置區(qū)運(yùn)輸原材料至鑄造澆筑區(qū)以及低壓鑄造區(qū)需要行進(jìn)56.8m以上。

其次，原有車間布局并未設(shè)置除濕間，需要現(xiàn)場工作人員自行將原材料運(yùn)送至除濕間，完成除濕操作后，運(yùn)送至生產(chǎn)加工現(xiàn)場，由此可見，對于人力、物力造成了較大浪費(fèi)。

最后，車間設(shè)備所采用的機(jī)群式布局整體較為混亂，并未形成“一個流”的生產(chǎn)制造模式。導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中，為確保生產(chǎn)效率，需要在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置物料緩存區(qū)，造成一定的空間浪費(fèi)。

3 數(shù)字化工廠下的車間布局優(yōu)化

3.1 作業(yè)車間物流相互關(guān)系分析

在車間加工生產(chǎn)過程中，物流涉及原材料運(yùn)輸、半成品轉(zhuǎn)運(yùn)等，而通過分析各生產(chǎn)作業(yè)單元與物流強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)，并以此為基礎(chǔ)對空間布局進(jìn)行優(yōu)化，能夠極大程度上降低物流時效，提高生產(chǎn)效率。在追求成本最小化、物流距離最短化以及避免物流交叉和迂回的原則基礎(chǔ)上，對車間布局進(jìn)行優(yōu)化是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。在進(jìn)行以物流為基礎(chǔ)的車間布局優(yōu)化時，需要考慮兩個重要因素：物流當(dāng)量和物流強(qiáng)度。

物流當(dāng)量是指單位時間內(nèi)，車間中物料、成品、半成品以及其他物品的流動量。這一指標(biāo)直接反映了車間的物流效率和生產(chǎn)節(jié)奏。通過對物流當(dāng)量的分析，可以評估車間的生產(chǎn)能力和效率，并確定是否需要調(diào)整車間布局以優(yōu)化物流流程。可以采用以下公式計(jì)算：

式中：j、k分別代表兩個不同的作業(yè)單元；Gjk代表兩個作業(yè)單元間的物流當(dāng)量；ai代表產(chǎn)品搬運(yùn)系數(shù)（單個產(chǎn)品/單元盛具數(shù)量，如砂芯單元盛具數(shù)量為60，則搬運(yùn)系數(shù)為1/60）；mi代表產(chǎn)品i的重量；gi代表產(chǎn)品月平均生產(chǎn)量。物流強(qiáng)度則是指單位時間內(nèi)，車間中各個工作地之間的物料流動頻率[3]。物流強(qiáng)度的高低直接反映了各個工作地之間的協(xié)同效率和物料流通的順暢程度。在優(yōu)化車間布局時，需要關(guān)注物流強(qiáng)度的分布，確保關(guān)鍵工作地之間的物流流通效率，并盡量避免物流擁堵和交叉現(xiàn)象。

3.2 作業(yè)車間非物流相互關(guān)系分析

在車間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，不僅要考慮物流與各單元之間的關(guān)系，還要深入分析非物流相互關(guān)系的單元布局。此類非物流相關(guān)的單元主要包括洗手間、加工設(shè)備、工廠環(huán)境等。為了更好地進(jìn)行區(qū)分，可以根據(jù)物流的密切程度來對此類單元進(jìn)行排序。物流的密切程度主要取決于以下幾個因素。

3.2.1 工人。工人在車間中的流動是物流中的一個重要因素。工人的位置、走動路線和作業(yè)頻率都會影響物流的密切程度。

3.2.2 信息傳遞。信息的傳遞方式在很大程度上決定了物流的流程和效率。比如，如果一個單元需要頻繁地接收和發(fā)送信息，那么這個單元的物流密切度就會相應(yīng)提高。

3.2.3 作業(yè)內(nèi)容。每個單元的作業(yè)內(nèi)容都會影響其物流需求。例如，一些需要頻繁出入庫的作業(yè)單元，其物流密切度會相對較高。

3.3 作業(yè)車間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合作業(yè)車間物流與非物流之間的相互關(guān)系分析結(jié)果，確定了以下車間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。

3.3.1 采用“一字型”空間布局方式，根據(jù)加工工藝對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化布局。該布局方式可以最大限度地減少物料搬運(yùn)距離，提高生產(chǎn)效率。

3.3.2 對物流通道進(jìn)行“Z“字形優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保各作業(yè)單元的整體性。該設(shè)計(jì)可以有效地提高物流效率，減少物流堵塞和等待時間。

3.3.3 在機(jī)加作業(yè)單元的設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)了清晰性和簡潔性。該設(shè)計(jì)可以使作業(yè)人員更加方便地操作設(shè)備，提高工作效率。

3.3.4 在作業(yè)單元五的下一道工序中設(shè)置了清洗單元，以避免半成品回流問題。

4 數(shù)字化工廠下車間布局仿真分析

4.1 仿真流程設(shè)計(jì)

為發(fā)現(xiàn)對車間優(yōu)化布局設(shè)計(jì)中可能存在的問題，本次研究使用Demo3D仿真軟件進(jìn)行仿真分析。其具體流程為。

在執(zhí)行這個過程時，首先要整合與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備資源、工藝路線等相關(guān)的信息。這些信息是設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)，它們?yōu)檎麄€項(xiàng)目提供了明確的方向和指導(dǎo)。接下來，根據(jù)收集到的信息，進(jìn)行初始布局設(shè)計(jì)。此步驟需要考慮到各種因素，包括產(chǎn)品的功能需求、設(shè)備的配置、工藝流程的優(yōu)化等。該階段的目標(biāo)是初步確定產(chǎn)品的布局，為后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)。

然后，將初始布局設(shè)計(jì)導(dǎo)入到Demo3D仿真軟件中。此步驟是為了評估布局的可行性和性能。通過仿真，可以看到布局在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)，包括設(shè)備的運(yùn)行情況、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率等。

仿真分析后，需要根據(jù)結(jié)果確定模型是否合理。如果布局合理，則該模型就可以被確定為最終布局。如果布局不合理，就需要回到第一步，對初始布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此過程可能需要多次迭代和仿真驗(yàn)證，以確保最終的布局是理想的。

4.2 三維仿真建模

在數(shù)字化工廠中，車間布局仿真分析是一個重要的環(huán)節(jié)。通過三維仿真建模，可以對車間的布局進(jìn)行全面的模擬和分析，以優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。三維仿真建模是數(shù)字化工廠中車間布局仿真分析的重要工具之一。它通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，將車間的布局、設(shè)備、人員等各種因素進(jìn)行模擬，形成一個數(shù)字化的三維模型。在這個模型中，可以對車間的布局進(jìn)行詳細(xì)的分析和評估，包括設(shè)備之間的距離、通道的寬度和長度、人員的操作空間等等。

通過三維仿真建模，可以預(yù)測車間的生產(chǎn)流程是否順暢、人員操作是否方便、設(shè)備是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)等等問題。同時，還可以根據(jù)模擬結(jié)果對車間的布局進(jìn)行優(yōu)化，例如調(diào)整設(shè)備的位置、改變通道的寬度等等。其步驟如下所述。

4.2.1 收集數(shù)據(jù)。首先需要收集車間的平面圖、設(shè)備清單、工藝流程圖等基本信息。這些信息將為后續(xù)的三維建模提供基礎(chǔ)。

4.2.2 建立三維模型。利用專業(yè)的三維建模軟件，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和信息，建立車間的三維模型。這個模型應(yīng)該盡可能準(zhǔn)確地反映車間的實(shí)際情況，包括設(shè)備的位置、形狀、尺寸、連通性等。

4.2.3 添加物理屬性。在三維模型中，還需要添加設(shè)備的物理屬性，如重量、移動性、功率等。這些屬性將用于模擬設(shè)備的運(yùn)行情況和交互關(guān)系。

4.2.4 定義工藝流程。根據(jù)工藝流程圖，需要在三維模型中定義各個設(shè)備之間的物料流動和信息流動。這可以通過為設(shè)備添加輸入和輸出端口來實(shí)現(xiàn)。

4.2.5 運(yùn)行仿真。通過設(shè)定仿真的運(yùn)行參數(shù)，如時間、產(chǎn)量等，可以模擬車間的實(shí)際運(yùn)行情況。仿真結(jié)果將提供車間的產(chǎn)能、設(shè)備利用率、物流效率等指標(biāo)的評估數(shù)據(jù)。

4.2.6 分析仿真結(jié)果。通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以找出車間布局和工藝流程中的問題和瓶頸，提出改進(jìn)方案。

通過上述步驟仿真分析后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)廠房中存在著較多立柱，與布局優(yōu)化方案存在干涉，不利于設(shè)備的擺放。經(jīng)過與該公司商討后，最終決定，利用Demo3D中的測量工具，對立柱尺寸與車間尺寸在確保不影響實(shí)際生產(chǎn)的情況下進(jìn)行測量，在仿真軟件中對布局進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。原廠房落砂機(jī)旁暫未布置任何設(shè)備，故將整體布局優(yōu)化向左位移，以避開立柱干涉。

5 數(shù)字化工廠下的車間生產(chǎn)線仿真分析

5.1 仿真軟件選擇與流程

本次生產(chǎn)線仿真分析使用Delmia/Quest軟件，其由法國達(dá)索公司開發(fā)，主要適用于工業(yè)工藝流程與城建布局等離散事件的仿真分析。并且其具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力以及簡單易操作的可視化界面。在Delmia/Quest軟件中，用戶可以通過導(dǎo)入生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，建立三維仿真模型。該模型能夠準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)線的實(shí)際情況，包括設(shè)備的位置、形狀、尺寸、連通性等。此外，用戶還可以為設(shè)備添加物理屬性，如重量、移動性、功率等，以模擬設(shè)備的運(yùn)行情況和交互關(guān)系。

在完成三維仿真建模后，用戶可以設(shè)定仿真的運(yùn)行參數(shù)，如時間、產(chǎn)量等，以模擬生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況。Delmia/Quest軟件能夠自動運(yùn)行仿真，并生成相應(yīng)的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)線產(chǎn)能、設(shè)備利用率、物流效率等指標(biāo)的評估數(shù)據(jù)。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，用戶可以找出生產(chǎn)線布局和工藝流程中的問題和瓶頸。針對這些問題和瓶頸，用戶可以提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，優(yōu)化生產(chǎn)線的運(yùn)作。同時，Delmia/Quest軟件還提供了豐富的報(bào)告生成功能，幫助用戶將仿真結(jié)果和分析結(jié)果進(jìn)行整理和展示。

5.2 仿真運(yùn)行及優(yōu)化

該公司全年排班生產(chǎn)315d，通過仿真模型運(yùn)行后可知，目前該公司衛(wèi)浴生產(chǎn)車間中，部分設(shè)備工作效率較低，并且存在著長時間空閑的情況，致使車間生產(chǎn)效率整體處于低水平狀態(tài)。而根據(jù)仿真結(jié)果來看，拌砂機(jī)的工作時長要遠(yuǎn)高于其他設(shè)備。由此可知，拌砂機(jī)為車間生產(chǎn)線的瓶頸工序，當(dāng)前拌砂機(jī)工作效率低下，從而影響整體生產(chǎn)效率。

因此，需要有針對性地對拌砂機(jī)進(jìn)行仿真運(yùn)行以及優(yōu)化。經(jīng)過與該公司生產(chǎn)人員的探討，認(rèn)為本次拌砂機(jī)瓶頸工序優(yōu)化需要從調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍著手。本次仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為生產(chǎn)節(jié)拍最低7s，最高11s，極差1s。

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以清晰地看出，生產(chǎn)節(jié)拍對產(chǎn)量有著顯著的影響，這意味著在未能對生產(chǎn)線進(jìn)行整體優(yōu)化時，需要通過工藝改進(jìn)來調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍。然而，目前該公司的生產(chǎn)節(jié)拍為9.4s，優(yōu)化難度較大且成本較高。考慮到這兩點(diǎn)因素，經(jīng)過與技術(shù)部門的深入研討，確定了一個切實(shí)可行的優(yōu)化方案：增加一臺拌砂機(jī)，并將生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化至8s。該優(yōu)化方案不僅有助于提高產(chǎn)量，同時也能降低生產(chǎn)成本，提高該公司的整體競爭力。通過增加拌砂機(jī)的數(shù)量，可以有效地提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能和效率。這不僅能夠減輕原有拌砂機(jī)的負(fù)載壓力，同時也能避免設(shè)備損壞和維修問題。此外，優(yōu)化后的生產(chǎn)節(jié)拍將縮短至8s，這將進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)量。

6 結(jié)束語

綜上，通過分析作業(yè)單元和物流、非物流之間的相互關(guān)系，為沉降布局優(yōu)化提供方向。隨后，使用Demo3D仿真軟件對車間布局方案進(jìn)行優(yōu)化，解決車間立柱對設(shè)備布局的干涉問題。與此同時，使用Delmia/Quest軟件對生產(chǎn)線進(jìn)行仿真測試，明確拌砂機(jī)生產(chǎn)線工序，采用增設(shè)一臺拌砂機(jī)與優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍的方案進(jìn)行優(yōu)化，最終經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，整體方案有著顯著效果。